DE1254202B - Transformerless DC / DC converter - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. Cl.:Int. Cl .:
H02mH02m
Deutsche Kl.: 21 a4 - 35/11 German class: 21 a4 - 35/11
Nummer: 1254 202Number: 1254 202
Aktenzeichen: G37811IXd/21 a4File number: G37811IXd / 21 a4
Anmeldetag: 61 V. Registration date: 61 V.
Auslegetag: 3 # Display day: 3 #
Die Erfindung betrifft einen transformatorlosen Gleichspannungswandler mit einem eine Induktivität an eine Gleichstromquelle anschließenden Schalter, der den das Magnetfeld der Induktivität aufbauenden Strom steuert.The invention relates to a transformerless DC voltage converter with an inductance connected to a direct current source switch, which builds up the magnetic field of the inductance Electricity controls.
Bei vielen elektrischen Versorgungseinrichtungen verlangt man eine Ausgangsspannung, die die verfügbare Netzspannung übersteigt. Das übliche Verfahren, eine höhere Ausgangsspannung zu erhalten, besteht darin, innerhalb des Spannungswandlers eine Aufwärtstransformation vorzunehmen. Bei vielen Einrichtungen, beispielsweise bei Netzgeräten in Flugzeugen und Raumfahrzeugen, bei denen eine leichte Bauweise und eine schnelle Regelung von höchster Bedeutung sind, ist die Verwendung eines Transformators für diese Aufwärtstransformation unerwünscht. Weiterhin ist bei einem solchen Transformator das Übersetzungsverhältnis nicht genau einstellbar, sondern auf eine endliche Zahl von Stufen begrenzt. Schließlich kann man den Transformator nicht für Wechselstrom- und Gleichstromschaltungen verwenden. Man benötigt daher einen Gleichspannungswandler, der ohne die Verwendung eines Transformators eine Erhöhung der Ausgangsspannung vornimmt. Many electrical utilities require an output voltage that is the same as that available Mains voltage exceeds. The usual method of getting a higher output voltage, is to step up within the voltage converter. With many Facilities, for example in power supplies in aircraft and spacecraft, in which a lightweight construction and fast regulation are of paramount importance is the use of a Transformer undesirable for this step-up transformation. Furthermore, with such a transformer the transmission ratio cannot be precisely adjusted, but to a finite number of steps limited. After all, the transformer cannot be used for AC and DC circuits use. You therefore need a DC / DC converter that does not require the use of a transformer increases the output voltage.
Es sind Dioden-Impulsverstärker bekanntgeworr den, deren Wirkungsweise auf der Speicherung von Ladungsträgern im pn-übergang einer Halbleiterdiode beruht. Durch Ergänzung dieser bekannten Verstärker durch Tiefpaßfilter können auch kontinuierliche Signale verstärkt werden. Solche Diodenverstärker gehören jedoch einem anderen Gattungsbegriff an, da die Induktivitäten der Tiefpaßfilter nicht zur Energiespeicherung dienen und da zusätzlich eine besondere Treiberquelle benötigt wird.There are diode pulse amplifiers known, whose mode of operation is based on the storage of Charge carriers in the pn junction of a semiconductor diode is based. By complementing this well-known Amplifiers through low-pass filters can also be used to amplify continuous signals. Such diode amplifiers However, they belong to a different generic term, since the inductances of the low-pass filters do not serve to store energy and since a special driver source is also required.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt in der Schaffung eines solchen Gleichspannungswandlers. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.The object on which the invention is based is to create such a DC voltage converter. This object is achieved by the invention specified in claim 1.
Eine zweckmäßige Weiterbildung besteht darin, die Induktivität als angezapfte Drossel auszubilden und den Schalter mit dem Abgriffpunkt zu verbinden, so daß die Spannung am Schalter herabgesetzt ist.An expedient further development consists in designing the inductance as a tapped choke and to connect the switch to the tap point, so that the voltage at the switch is reduced.
Gegenüber den Gleichspannungswandlern nach dem Stand der Technik zeichnet sich der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler durch eine außerordentliche Einfachheit aus und benötigt wesentlich weniger Bauelemente. Von besonderer Bedeutung ist das dadurch bedingte geringe Gewicht. Ferner werden keine elektromechanischen Bauteile benötigt. Die Schaltfrequenzen des Schalters in dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler können verhält-Transformatorloser GleichspannungswandlerCompared to the DC voltage converters according to the prior art, the one according to the invention is distinguished DC-DC converter is characterized by an extraordinary simplicity and is essential fewer components. The resulting low weight is of particular importance. Further be no electromechanical components required. The switching frequencies of the switch in the inventive DC-DC converters can be behavior-transformerless DC-DC converters
Anmelder:Applicant:
General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)General Electric Company,
Schenectady, NY (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,Dr.-Ing. W. Reichel, patent attorney,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13Frankfurt / M. 1, Parkstrasse 13th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Burnice Doyle Bedford, Scotia, N. Y. (V. St. A.)Burnice Doyle Bedford, Scotia, N.Y. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. ν. Amerika vom 25. Mai 1962 (197 626) - -V. St. ν. America May 25, 1962 (197 626) - -
nismäßig hoch gewählt werden, was zu einer weiteren räumlichen Verkleinerung führt. Wird der Gleichspannungswandler in einer mit Wechselstrom betriebenen Anlage eingesetzt, was häufig der Fall ist, so ist seine Auslegung von der Frequenz des zur Verfügung stehenden Wechselstroms unabhängig, da der Wechselstrom gleichgerichtet wird, bevor er dem Gleichspannungswandler zugeführt wird.be chosen to be moderately high, which leads to a further spatial reduction. Becomes the DC / DC converter used in an AC powered system, which is often the case, so its design is independent of the frequency of the available alternating current, since the AC current is rectified before it is fed to the DC voltage converter.
Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.In the following, the invention will be based on exemplary embodiments in conjunction with the drawings will be described in detail.
F i g. 1 zeigt ein vereinfachtes schematisches Schaltbild eines Gleichspannungswandlers, der mit der Erfindung übereinstimmt; die Schalteinrichtung ist durch einen mechanischen Schalter dargestellt;F i g. 1 shows a simplified schematic circuit diagram a DC-DC converter in accordance with the invention; the switching device is represented by a mechanical switch;
F i g. 2 ist eine schematische Darstellung der Schaltung von F i g. 1, wobei eine Ausführungsart der Schalteinrichtung im einzelnen dargestellt ist;F i g. Figure 2 is a schematic diagram of the circuit of Figure 2. 1, one embodiment of the Switching device is shown in detail;
F i g. 3. zeigt bei konstanter Netzspannung die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von einem Steuerstrom, der dem Eingang der in F i g. 2 dargestellten Schalteinrichtung zugeführt wird;F i g. 3. shows the dependence of the output voltage on a control current at constant mains voltage, the entrance of the in F i g. 2 switching device shown is supplied;
Fig.4 ist eine schematische Darstellung des Gleichspannungswandlers von Fig. 1, der eine andere Ausführungsart der Schalteinrichtung zeigt;Fig.4 is a schematic representation of the DC-DC converter of Fig. 1 showing another embodiment of the switching device;
Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes schematisches Schaltbild eines Gleichspannungswandlers, mit dem man eine höhere Ausgangsspannung erreichen kann als mit der Schaltung von F i g. 1.5 shows a simplified schematic circuit diagram a DC / DC converter with which you can achieve a higher output voltage than with the circuit of FIG. 1.
Der in F i g. 1 dargestellte Gleichspannungswandler besitzt ein Eingangsklemmenpaar 1, 2, das mitThe in F i g. 1 shown DC-DC converter has a pair of input terminals 1, 2, which with
709 688/137709 688/137
einer Spannungsquelle verbunden werden kann und der Schaltung die Eingangs- oder Speisespannung Es zuführt. Die Ausgangsspannung E1 für den Verbraucher 3 entnimmt man den Ausgangsklemmen 4, 5. Eine lineare Magnetkernspule 6, wie man sie in Siebschaltungen für Netzgeräte verwendet, und eine Sperrdiode 7 liegen zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme 4 in Reihe. Die verbleibenden Klemmen 2 und 5 sind miteinander verbunden und bilden den gemeinsamen Bezugspunkt. Eine Schalteinrichtung 8, die als mechanischer Schalter dargestellt ist, hat eine Klemme gemeinsam mit der Spule 6 und der Diode 7. Die andere Klemme ist mit dem gemeinsamen Bezugspunkt verbunden. Ein Siebkondensator 9 liegt zwischen den Klemmen 4 und 5 parallel zum Verbraucher 3. Obwohl in dieser vereinfachten schematischen Darstellung die Schalteinrichtung zur besseren Veranschaulichung als mechanischer Schalter dargestellt wird, ist die Schalteinrichtung 8 in Wirklichkeit eine gesteuerte Schaltung, die die Durchlaß- und Sperrzeit eines Schaltelementes regelt, wie später beschrieben wird. Die Spule 6 und die Schalteinrichtung 8 bilden zusammen mit den Eingangsklemmen 1 und 2 eine Eingangsschaltung, die es erlaubt, elektrische Energie von der Spannungsquelle in der Spule 6 aufzuspeichern, wenn die Schalteinrichtung 8 geschlossen ist. Die Schalteinrichtung 8 und die mit ihr in Reihe liegende Diode 7 bilden zusammen mit dem Verbraucher 3 und dem ihm parallelgeschalteten Kondensatoren 9 eine Ausgangsschaltung, die die gespeicherte elektrische Energie von der Spule 6 dem Kondensator 9 und dem Verbraucher 3 zuführt, wenn die Schalteinrichtung 8 geöffnet ist. Wird die Schalteinrichtung 8 in schneller Folge geöffnet und geschlossen oder in den leitenden und nichtleitenden Zustand versetzt, dann fließt von den Eingangsklemmen 1 und 2 über die Siebspule 6 und den Siebkondensator 9 ein geglätteter Strom zum Verbraucher 3.a voltage source can be connected and the circuit supplies the input or supply voltage E s. The output voltage E 1 for the consumer 3 is taken from the output terminals 4, 5. A linear magnetic core coil 6, as used in filter circuits for power supplies, and a blocking diode 7 are in series between the input terminal 1 and the output terminal 4. The remaining terminals 2 and 5 are connected to one another and form the common reference point. A switching device 8, which is shown as a mechanical switch, has one terminal in common with the coil 6 and the diode 7. The other terminal is connected to the common reference point. A filter capacitor 9 is between the terminals 4 and 5 parallel to the consumer 3. Although in this simplified schematic representation the switching device is shown as a mechanical switch for better illustration, the switching device 8 is in reality a controlled circuit that the passage and blocking time of a switching element regulates as will be described later. The coil 6 and the switching device 8 together with the input terminals 1 and 2 form an input circuit which allows electrical energy from the voltage source to be stored in the coil 6 when the switching device 8 is closed. The switching device 8 and the diode 7 in series with it form, together with the consumer 3 and the capacitors 9 connected in parallel, an output circuit that feeds the stored electrical energy from the coil 6 to the capacitor 9 and the consumer 3 when the switching device 8 is open is. If the switching device 8 is opened and closed in rapid succession or put into the conductive and non-conductive state, then a smooth current flows from the input terminals 1 and 2 via the filter coil 6 and the filter capacitor 9 to the consumer 3.
Um die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers verstehen zu können, seien noch einmal die Voraussetzungen klargestellt, auf denen diese Wirkungsweise beruht. Notwendige Voraussetzung ist, daß die Zeitkonstante L/R der die elektromagnetische Energie speichernden Induktivitat 6 und die Zeitkonstante RC des Verbraucherkreises groß gegenüber den Schließ- und Öffnungszeiten des Schalters 8 sind. Unter diesen Voraussetzungen können alle Strom- und Spannungsänderungen, die durch das Öffnen und Schließen des Schalters bedingt sind, ohne großen Fehler als lineare Änderungen betrachtet werden, da man bei der Reihenentwicklung der an und für sich nach einer Exponentialfunktion verlaufenden Änderungen nach dem ersten, dem linearen Glied abbrechen kann. Dann ist es möglich, die Spannungserhöhung in dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler auf folgende Weise durch eine einfache Energiebetrachtung abzuleiten:In order to be able to understand the mode of operation of the DC / DC converter according to the invention, the prerequisites on which this mode of operation is based should be clarified once again. A necessary prerequisite is that the time constant L / R of the inductance 6 storing the electromagnetic energy and the time constant RC of the consumer circuit are large compared to the closing and opening times of the switch 8. Under these conditions, all current and voltage changes caused by the opening and closing of the switch can be regarded as linear changes without major errors, since in the series expansion of the changes which in and of themselves proceed according to an exponential function after the first, the linear link can break off. It is then possible to derive the voltage increase in the DC voltage converter according to the invention in the following way by simply considering the energy:
Wird der Schalter 8 geschlossen, so wird in der Induktivität 6 elektromagnetische Energie gespeichert. Ist der Schalter 8 dagegen geöffnet, so gibt die Induktivität elektromagnetische Energie an den Verbraucher 3 ab. Ist der Gleichspannungswandler eingeschwungen, befindet er sich also im Gleichgewicht, so ist die in der Induktivität bei geschlossenem Schalter gespeicherte Energiemenge gleich der bei geöffnetem Schalter an den Verbraucher abgegebenen Energiemenge.If the switch 8 is closed, electromagnetic energy is stored in the inductance 6. On the other hand, if the switch 8 is open, the inductance gives electromagnetic energy to the consumer 3 from. If the DC voltage converter has settled, it is in equilibrium, the amount of energy stored in the inductor when the switch is closed is equal to that when the switch is open Switch of the amount of energy delivered to the consumer.
Die bei geschlossenem Schalter 8 gespeicherte Energiemenge β berechnet sich zuThe amount of energy β stored when the switch 8 is closed is calculated as follows
= Es7ts = E s 7t s
(1)(1)
Hierin bedeutet Es die Eingangsspannung, also die Spannung an der Induktivität 6, 7 den mittleren Strom in der Induktivität und tsc die Zeitspanne, während der der Schalter 8 geschlossen ist. Es sei daran erinnert, daß deswegen mit dem mittleren Strom 7 gerechnet werden darf, weil die Zeitkonstante der Induktivität so groß ist, daß Stromänderungen während der Zeitspanne, in der der Schalter 8 geschlossen ist, vernachlässigbar klein sind.Here, E s means the input voltage, that is to say the voltage across the inductance 6, 7 the mean current in the inductance and t sc the time span during which the switch 8 is closed. It should be remembered that the average current 7 can be expected because the time constant of the inductance is so large that current changes during the period in which the switch 8 is closed are negligibly small.
Die Energiemenge Q, die während der Zeitspanne an den Verbraucher abgegeben wird, während der der Schalter 8 geöffnet ist, berechnet sich wie folgt:The amount of energy Q that is delivered to the consumer during the period during which switch 8 is open is calculated as follows:
= (EL-Es)lts = (E L -E s ) according to p
(2)(2)
Dabei bedeutet EL die am Verbraucher anliegende Spannung und iso die Zeitspanne, während der der Schalter 8 geöffnet ist. Es sei noch einmal daran erinnert, daß auch ts0 klein gegenüber den Zeitkonstanten der Induktivität und im Verbraucherkreis ist. E L means the voltage applied to the consumer and i means the time span during which the switch 8 is open. It should be remembered once again that t s0 is also small compared to the time constants of the inductance and in the consumer circuit.
Gleichsetzen dieser beiden Energiebeträge führtEquating these two amounts of energy leads
auf folgenden Ausdruck:on the following expression:
= (EL-Es)ltSi = (E L -E s ) lt Si
(3)(3)
Nach Kürzung durch 7 und Auflösung nach EL ergibt sich folgender Ausdruck:After reducing it by 7 and dissolving it according to E L , the following expression results:
EL = Es + Es (tsc/tso) . E L = E s + E s (t sc / t so ).
(4)(4)
Wie man dem Ausdruck (4) entnehmen kann, ist die Verbraucherspannung nur dann gleich der Eingangsspannung, wenn der Schalter 8 immer geöffnet bleibt. Hierbei ist jedoch vorausgesetzt, daß die Verluste in der Induktivität vernachlässigbar klein sind. Wird jedoch der Schalter 8 hin- und hergeschaltet, so wird das Verhältnis tsc/ts0 größer als Null, und die Verbraucherspannung wächst über die Eingangsspannung an.As can be seen from expression (4), the load voltage is only equal to the input voltage if the switch 8 always remains open. However, it is assumed here that the losses in the inductance are negligibly small. However, if the switch 8 is toggled, the ratio t sc / t s0 becomes greater than zero, and the load voltage increases above the input voltage.
Die Verbraucherspannung ist also vom Verhältnis tsc/ts0 abhängig". Ein Schaltkreis, mit dem dieses Verhältnis und damit die Verbraucherspannung eingestellt werden kann, wird später noch beschrieben.The consumer voltage is therefore dependent on the ratio t sc / t s0 ". A circuit with which this ratio and thus the consumer voltage can be set will be described later.
Es ist günstig, wenn die Schließzeit tsc von tsc = 0 bis isc = tso eingestellt werden kann. Dann ändert sich die Verbraucherspannung EL von EL = Es bis Eι = 2ES, wie es in der F i g. 3 gezeigt ist. Man kann den Schalter 8 jedoch auch so steuern, daß das Verhältnis tsc/tso größer als Eins wird, so daß die Verbraucherspannung noch über 2ES ansteigt. In einem solchen Fall sind jedoch die auftretenden Verluste größer als in üblichen Konverterschaltungen mit Transformatoren, so daß die in den Fig. 2, 1 und 4 dargestellten Schaltungen im allgemeinen nur für solche Gleichspannungswandler verwendet werden sollten, bei denen die Ausgangsspannungen das Doppelte der Eingangsspannung nicht übersteigen.It is advantageous if the closing time t of t sc sc sc = 0 to i = t so can be set. Then the load voltage E L changes from E L = E s to Eι = 2E s , as shown in FIG. 3 is shown. The switch 8 can, however, also be controlled in such a way that the ratio t sc / t so becomes greater than one, so that the load voltage still rises above 2E s. In such a case, however, the losses occurring are greater than in conventional converter circuits with transformers, so that the circuits shown in FIGS. 2, 1 and 4 should generally only be used for those DC voltage converters in which the output voltages are not twice the input voltage exceed.
Die Verluste in den Bauelementen von F i g. 1 bewirken, daß die Ausgangsspannung EL etwas kleiner ist, als es vorn gesagt wird. Der kleinste Induktivitätswert der Spule 6 wird durch die Schalteinrichtung 8 bestimmt, da bei zu kleiner Induktivität die Welligkeit des Stromse is zu groß wird und ein richtiges Arbeiten der Schalteinrichtung 8 verhindert.The losses in the components of FIG. 1 cause the output voltage E L to be slightly smaller than was said before. The smallest inductance value of the coil 6 is determined by the switching device 8, since if the inductance is too small, the ripple of the current i s becomes too great and prevents the switching device 8 from working properly.
Der Kondensator 9 vermindert die Welligkeit des Verbraucherstromes. Die Diode 7 bewirkt, daß der Kondensator 9 sich nur über den Verbraucherkreis entlädt. Die Spule 6 dient zur Glättung des Stromes und zur Erhöhung der Ausgangsspannung. Der geglättete Strom hat eine wirksame Entkopplung zwischen der Eingangsspannungsquelle und dem Leistungsverstärker zur Folge, wobei alle Störungen, die von der einen Schaltung in die andere gelangen könnten, vermindert werden.The capacitor 9 reduces the ripple of the consumer current. The diode 7 causes the Capacitor 9 only discharges via the consumer circuit. The coil 6 serves to smooth the current and to increase the output voltage. The smoothed current has an effective decoupling between the input voltage source and the power amplifier, with all disturbances that from one circuit to the other can be reduced.
F i g. 2 zeigt eine Ausführung der Schalteinrichtung 8, die durch verschiedene Schaltungen verwirklicht werden kann. Die Anforderungen an solch eine Schaltung sind, daß sie während vorher bestimmter Zeiten isc und tso vollständig leitend oder nichtleitend ist und daß die Schaltvorgänge widerspruchsfrei erfolgen. Außerdem muß die Schalteinrichtung den Leitungsstrom is einschalten und unterbrechen können. Ein in einer Richtung leitendes Schaltelement, dessen Durchlaß- und Sperrzeit genau einstellbar sind, kann zur Durchführung der Schaltvorgänge verwendet werden. Gut geeignet ist ein gesteuerter Siliziumgleichrichter 10, der eine Steuerelektrode 11, eine Kathode und eine Anode besitzt. Ein üblicher gesteuerter Siliziumgleichrichter ist ein pnpn-Halbleiterschalter. Er besitzt ähnliche Eigenschaften wie ein gasgefülltes Thyratron oder Ignitron, bei denen die Steuerelektrode ihre Steuerfähigkeit verliert, sobald durch ein kleines Steuersignal an der Steuerelektrode das Schaltelement in den leitenden Zustand versetzt wurde. Bei einem kürzlich entwickelten Gleichrichter behält die Steuerelektrode ihre Steuerfähigkeit. F i g. FIG. 2 shows an embodiment of the switching device 8 which can be implemented by various circuits. The requirements of such a circuit are that it is completely conductive or non-conductive during predetermined times i sc and t and that the switching processes take place without contradiction. In addition, the switching device must be able to switch on and interrupt the line current i s. A switching element which is conductive in one direction, the passage and blocking times of which can be precisely set, can be used to carry out the switching operations. A controlled silicon rectifier 10, which has a control electrode 11, a cathode and an anode, is well suited. A common silicon controlled rectifier is a pnpn semiconductor switch. It has similar properties to a gas-filled thyratron or ignitron, in which the control electrode loses its controllability as soon as the switching element is switched to the conductive state by a small control signal on the control electrode. In a recently developed rectifier, the control electrode retains its controllability.
Der gesteuerte Gleichrichter 10 wird durch das Signal einer Steuerspannungsquelle 12 in den leitenden Zustand versetzt. Die von' der Steuerspannungsquelle 12 erzeugten Steuerimpulse werden mit einer festen Folgefrequenz der Steuerelektrode 11 zugeführt. Die Steuerspannungsquelle 12 kann aus irgendeinem Rechteck- oder Impulsgenerator bestehen, der in der Lage ist, die Steuerimpulse mit einer konstanten Frequenz, z. B. 2000 Hz, zu erzeugen, und dessen Impulslänge ausreicht, um den gesteuerten Gleichrichter 10 in den leitenden Zustand zu versetzen. Die Steuerspannungsquelle kann auch ein üblicher Unijunctiontransistor-Oszillator sein.The controlled rectifier 10 is by the signal of a control voltage source 12 in the conductive State shifted. The control pulses generated by 'the control voltage source 12 are with a Fixed repetition frequency of the control electrode 11 is supplied. The control voltage source 12 can be any of Square-wave or pulse generator exist, which is able to generate the control pulses with a constant Frequency, e.g. B. 2000 Hz, and the pulse length is sufficient to control the rectifier 10 to put in the conductive state. The control voltage source can also be a conventional unijunction transistor oscillator be.
Der gesteuerte Gleichrichter 10 wird durch eine Steuerschaltung gesperrt, die dem Gleichrichter parallel geschaltet ist. Der Ladekondensator 13 und die sättigungsfähige Spule 14, die in Reihe geschaltet sind, bilden einen Teil der Steuerschaltung und dienen zur Sperrung des Gleichrichters. Die Durchlaßzeit des Gleichrichters 10 wird durch eine Schaltung gesteuert, die einen sättigungsfähigeh Eisenkerntransformator besitzt, der eine Primärwicklung 15 und eine Sekundärwicklung 16 hat. Das eine Ende der Sekundärwicklung ist über eine Sperrdiode 17 mit der sättigungsfähigen Spule 14 und dem Ladekondensator 13 verbunden. Die Spule 14 und der Transformator 15, 16 haben im wesentlichen eine rechteckige Hystereseschleife. Der Primärwicklung 15 des Transformators wird ein Steuerstrom Ic zugeführt.The controlled rectifier 10 is blocked by a control circuit which is connected in parallel to the rectifier. The charging capacitor 13 and the saturable coil 14, which are connected in series, form part of the control circuit and are used to block the rectifier. The conduction time of the rectifier 10 is controlled by a circuit which has a saturable iron core transformer which has a primary winding 15 and a secondary winding 16. One end of the secondary winding is connected to the saturable coil 14 and the charging capacitor 13 via a blocking diode 17. The coil 14 and the transformer 15, 16 have essentially a rectangular hysteresis loop. A control current I c is fed to the primary winding 15 of the transformer.
Die Steuerschaltung bewirkt, daß regelmäßig eine Sperrspannung vom Kodensator 13 an den gesteuerten Gleichrichter 10 gelegt wird, um dessen Stromrichtung umzukehren und ihn zu sperren. Im folgenden wird die Betriebsperiode für den Steuerstrom Ic — 0 betrachtet. Kurz bevor der gesteuerte Gleichrichter 10 durch einen Impuls von der Steuerspannungsquelle 12 geöffnet wird, ist das Potential des Ladekondensators an seinem punktierten Ende negativ, und die Spule 14 und der Transformator 15, 16 sind durch die vorangegangenen Betriebsperioden remanent negativ bzw. positiv gesättigt. Sobald der Gleichrichter 10 geöffnet ist, wird die Spannung des Kondensators 13 an die Spule 14 und an die Sekundärwicklung 16 des Transformators gelegt. Dabei fließt ein kleiner Magnetisierungsstrom, der die Spule 14 in die positive Sättigung bringt. Sobald die Spule positiv gesättigt ist, dreht sich die Spannung am Kondensator 13 um und versucht, die Spule in die negative Sättigung zu treiben. Dies beruht auf der Schwingfähigkeit des Kondensators 13 und der gesättigten Induktivität der Spule 14. Beim Erreichen der negativen Sättigung wird die Spannung des Kondensators fast vollständig an die Anode des gesteuerten Gleichrichters 10 gelegt, da die Impedanz der gesättigten Spule 14 vernachlässigbar klein ist. Diese Spannung bewirkt eine Umkehrung der Stromrichtung im Gleichrichter 10. Dadurch wird der Gleichrichter gesperrt. Die Durchlaßzeit des gesteuerten Gleichrichters wird bestimmt durch die Zeit, die benötigt wird, um die Spule 14 von der negativen in die positive Sättigung und dann wieder zurück in die negative Sättigung zu bringen. Dieser Zeitraum ist genau festgelegt und beruht auf den Kenngrößen der sättigungsfähigen Spule.The control circuit has the effect that a blocking voltage is regularly applied from the capacitor 13 to the controlled rectifier 10 in order to reverse its current direction and block it. The operating period for the control current Ic- 0 is considered below. Shortly before the controlled rectifier 10 is opened by a pulse from the control voltage source 12, the potential of the charging capacitor is negative at its dotted end, and the coil 14 and the transformer 15, 16 are retentively negatively or positively saturated by the previous operating periods. As soon as the rectifier 10 is opened, the voltage of the capacitor 13 is applied to the coil 14 and to the secondary winding 16 of the transformer. In the process, a small magnetizing current flows which brings the coil 14 into positive saturation. As soon as the coil is positively saturated, the voltage on capacitor 13 reverses and tries to drive the coil into negative saturation. This is based on the oscillating ability of the capacitor 13 and the saturated inductance of the coil 14. When negative saturation is reached, the voltage of the capacitor is almost completely applied to the anode of the controlled rectifier 10, since the impedance of the saturated coil 14 is negligibly small. This voltage reverses the direction of the current in the rectifier 10. This blocks the rectifier. The conduction time of the controlled rectifier is determined by the time it takes to bring the coil 14 from negative to positive saturation and then back again to negative saturation. This period is precisely defined and is based on the parameters of the saturable coil.
Zur Steuerung der Durchlaßzeit des gesteuerten Gleichrichters 10 dient der sättigungsfähige Transformator 15, 16 und die Sperrdiode 17. Führt man der Primärwicklung 15 des Transformators den Höchstwert des Steuerstromes Ic von etwa 150 mA zu, dann wird die Sekundärwicklung 16 des Transformators von der negativen Sättigung fast bis in die positive Sättigung gebracht, während die Spule 14 von der negativen in die positive Sättigung übergeht, wie es vorn beschrieben wird. Sobald die Spule 14 positiv gesättigt ist, kehrt die Spannung am Kondensator 13 ihre Richtung um und bewirkt, daß die Spule 14 sofort wieder der negativen Sättigung zustrebt, wie es oben beschrieben ist. Diese plötzliche Richtungsumkehr betrifft jedoch nicht die Sekundärwicklung 16 des Transformators, da die Sperrdiode 17 eine Stromrichtungsumkehr verhindert. Die Sekundärwicklung 16 muß durch den Steuerstrom Ic in die negative Sättigung zurückgebracht werden.The saturable transformer 15, 16 and the blocking diode 17. Leads used to control the conduction time of the controlled rectifier 10 to the primary winding 15 of the transformer to the maximum value of the control current I c of about 150 mA to, then the secondary winding 16 of the transformer from the negative saturation brought almost to positive saturation, while coil 14 goes from negative to positive saturation, as described above. As soon as the coil 14 is positively saturated, the voltage on the capacitor 13 reverses its direction and has the effect that the coil 14 immediately tends towards negative saturation again, as described above. However, this sudden change in direction does not affect the secondary winding 16 of the transformer, since the blocking diode 17 prevents a current direction reversal. The secondary winding 16 must be brought back into negative saturation by the control current I c.
F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung EL von dem Steuerstrom Ic des in F i g. 2 dargestellten Leistungsverstärkers. Der Kennlinie kann man entnehmen, daß bei einer Verminderung des Steuerstromes Ic auf irgendeinen Zwischenwert, z. B. 20 mA, die Schaltung auf dem abfallenden Teil der Kennlinie arbeitet und die Ausgangsspannung EL-proportional vermindert wird. Die Verminderung der Ausgangsspannung ist darauf zurückzuführen, daß der kleinere Steuerstrom, der der Primärwicklung 15 des Transformators zugeführt wird, die Sekundärwicklung 16 nicht mehr bis in die negative Sättigung bringen kann, bevor durch die Steuerspannungsquelle 12 die nächste Betriebsperiode eingeleitet wird. Eine Folge hiervon ist, daß, sobald der gesteuerte Gleichrichter 10 durch die Steuerspannungsquelle 12 in.den leitenden Zustand versetzt ist, der Ladestrom wesentlich schneller die Sekundärwicklung 16 in die positive Sättigung bringt und der Kondensator bereits ungeladen ist, bevor die Spule die positive Sättigung er-F i g. 3 shows the dependence of the output voltage E L on the control current I c in FIG. 2 power amplifier shown. The characteristic curve shows that when the control current I c is reduced to some intermediate value, e.g. B. 20 mA, the circuit works on the falling part of the characteristic and the output voltage E L - is reduced proportionally. The reduction in the output voltage is due to the fact that the smaller control current which is fed to the primary winding 15 of the transformer can no longer bring the secondary winding 16 to negative saturation before the control voltage source 12 initiates the next operating period. A consequence of this is that as soon as the controlled rectifier 10 is put into the conductive state by the control voltage source 12, the charging current brings the secondary winding 16 into positive saturation much faster and the capacitor is already uncharged before the coil reaches positive saturation -
reicht. Die Umkehr der Spannung am Kondensator 13 bewirkt sofort einen Stromwechsel in der Spule 14, so daß die Spule wieder in die negative Sättigung zurückkehrt. Dabei wird eine kleinere Hystereseschleife durchlaufen. Sobald die Spule 14 negativ gesättigt ist, wird die Spannung des Kondensators 13 an den gesteuerten Gleichrichter 10 gelegt. Dabei kehrt sich seine Stromrichtung um, und der Gleichrichter wird gesperrt, wie es vorn beschrieben ist. Die Sperrung des Gleichrichters erfolgt nun früher, da die Spule 14 nur eine kleine Hystereseschleife durchläuft. Die kürzere Durchlaßzeit (kleineres Verhältnis tsc/tSo) bewirkt, daß weniger elektrische Energie in der Spule 6 gespeichert wird. Dadurch wird auch weniger elektrische Energie dem Verbraucher 3 zügeführt und die Ausgangsspannung EL auf etwa 200 V vermindert. Der Kennlinie kann man entnehmen, daß dieser Spannung ein Steuerstrom von 20 mA entspricht. Der sättigungsfähige Transformator 15, 16 steuert somit die Länge der Zeit, die die Spule 14 benötigt, um in die negative Sättigung zu gelangen. Während dieser Zeit ist der gesteuerte Gleichrichter gesperrt.enough. The reversal of the voltage on the capacitor 13 immediately causes a current change in the coil 14, so that the coil returns to negative saturation. A smaller hysteresis loop is run through. As soon as the coil 14 is negatively saturated, the voltage of the capacitor 13 is applied to the controlled rectifier 10. The direction of the current is reversed and the rectifier is blocked, as described above. The rectifier is now blocked earlier because the coil 14 only runs through a small hysteresis loop. The shorter passage time (smaller ratio t sc / t S o) has the effect that less electrical energy is stored in the coil 6. As a result, less electrical energy is supplied to the consumer 3 and the output voltage E L is reduced to approximately 200 V. The characteristic curve shows that this voltage corresponds to a control current of 20 mA. The saturable transformer 15, 16 thus controls the length of time that the coil 14 needs to reach negative saturation. During this time the controlled rectifier is blocked.
Die in F i g. 4 gezeigte Erfindung zeigt eine andere Schaltung, die man für die Schalteinrichtung 8 in F i g. 1 verwenden kann. Bei der in F i g. 4 gezeigten Schaltung ist die Durchlaßzeit des gesteuerten Gleichrichters 10 festgelegt und die Schaltfrequenz einstellbar. Die Steuerspannungsquelle 12 ist in F i g. 4 als Steuerschaltung dargestellt, während die Schaltung, die den Gleichrichter sperrt, aus festen Bauelementen aufgebaut ist, nämlich aus dem Kondensator 13 und der sättigungsfähigen Spule 14. Die Schaltung von F i g. 4 besitzt daher einen regelbaren Unijunctiontransistor-Frequenzoszillator. Die festgesetzte Durchlaßzeit des Gleichrichters wird durch den Kondensator 13 und die Spule 14 bestimmt. Der Vorteil dieser Schaltung ist, daß man mit Hilfe der veränderlichen Frequenz des Transistoroszillators noch bei sehr tiefen Frequenzen arbeiten kann. Die Regelung der Ausgangsspannung EL ist dabei genauer, insbesondere bei Verhältnissen EJE5, die sich Eins nähern. Diese genaue Regelung bei kleinen Verhältnissen EJE5 kann man mit der Steuerschaltung von F i g. 2 nicht erreichen, da man eine gewisse Zeit benötigt, um den Gleichrichter zu sperren, und das Verhältnis tsc/tso nicht hinreichend klein gemacht werden kann.The in F i g. The invention shown in FIG. 4 shows another circuit which can be used for the switching device 8 in FIG. 1 can use. In the case of the in FIG. 4, the passage time of the controlled rectifier 10 is fixed and the switching frequency is adjustable. The control voltage source 12 is shown in FIG. 4 is shown as a control circuit, while the circuit that blocks the rectifier is made up of solid components, namely the capacitor 13 and the saturable coil 14. The circuit of FIG. 4 therefore has a controllable unijunction transistor frequency oscillator. The fixed conduction time of the rectifier is determined by the capacitor 13 and the coil 14. The advantage of this circuit is that you can still work at very low frequencies with the help of the variable frequency of the transistor oscillator. The regulation of the output voltage E L is more precise, in particular in the case of ratios EJE 5 which approach one. This precise regulation in the case of small ratios EJE 5 can be achieved with the control circuit from FIG. 2, since it takes a certain time to block the rectifier and the ratio t sc / t can not be made sufficiently small.
Die veränderliche Steuerspannungsquelle 12 besitzt einen Unijunctiontransistor 18. Sie arbeitet wie ein üblicher Impulsoszillator, der Steuersignale für die Steuerelektrode 11 des gesteuerten Gleichrichters 10 liefert. Der Gleichrichter wird dabei zu vorher festgelegten Zeiten geöffnet, die durch die Frequenz des Unijunctiontransistor-Oszillators festgelegt sind. Die Frequenz wird bestimmt durch den Widerstand 19 und den Kondensator 20, die in Reihe geschaltet sind. Der Verbindungspunkt dieser beiden Bauelemente ist mit dem Emitter des Unijunctiontransistors 18 verbunden. Die Reihenschaltung mit dem Transistor 21, dessen Kollektor mit dem anderen Ende des Widerstandes 19 verbunden ist, und mit der Diode 22, die mit dem Emitter des Transistors 21 verbunden ist, bestimmt die vorher festgesetzte Stromaufnahme des Kondensators 20, wobei die Frequenz des Unijunctiontransistor-Oszillators genau festgelegt wird. Durch diese genaue Steuerung kann die Oszillatorfrequenz von 0 bis 3 kHz eingestellt werden. Man erhält dabei einen beträchtlichen Regelbereich der Ausgangsspannung gegenüber der Versorgungsspannung. The variable control voltage source 12 has a unijunction transistor 18. It works like a conventional pulse oscillator, the control signals for the control electrode 11 of the controlled rectifier 10 supplies. The rectifier is opened at predetermined times that are determined by the frequency of the Unijunction transistor oscillator are set. The frequency is determined by the resistor 19 and the capacitor 20 connected in series. The connection point of these two components is connected to the emitter of the unijunction transistor 18. The series connection with the transistor 21, the collector of which is connected to the other end of the resistor 19, and to the Diode 22 connected to the emitter of transistor 21 determines the one previously set Current consumption of the capacitor 20, the frequency of the unijunction transistor oscillator being exactly is determined. With this precise control, the oscillator frequency can be set from 0 to 3 kHz will. A considerable control range of the output voltage compared to the supply voltage is obtained.
Der mit dem Widerstand 24 in Reihe liegende Transistor 23, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors 21 verbunden ist, arbeitet als Potentiometer und legt den Arbeitspunkt des Transistors 21 fest. Eine Steuerspannung Ec wird über einen Strombegrenzungswiderstand 25 an die Basis des Transistors 23 gelegt. Diese Steuerspannung stellt den Arbeitspunkt des Transistors 23, der dann den Arbeitspunkt des Transistors 21 bestimmt, wodurch die Frequenz der Unijunctiontransistor-Oszillatorschalttung festgelegt wird. Wenn die Steuerspannung EC = Q ist, dann sind die Transistoren 23 und 21 gesperrt, und die Frequenz der Transistor-Oszillatorschaltung ist Null. Die Ausgangsspannung EL ist dann gleich der Speisespannung E5. Die Diode 22 bewirkt, daß der Transistor 21 bei der Steuerspannung Eq = Q stets gesperrt ist, unabhängig von irgendwelchen Temperaturänderungen innerhalb der Schaltung. Steigt die Steuerspannung Ec in positive Richtung an, dann werden die Transistoren 23 und 21 immer mehr leitend, und die Frequenz des Unijunctiontransistor-Oszillators nimmt zu. Auf diese Weise regelt die Steuerspannung Ec die Frequenz des Oszillators, der dann wiederum die Ausgangsspannung E1 steuert. Ein Spannungsteiler mit den Widerständen 26 und 27, der zwischen den Eingangsklemmen 1 und 2 liegt, versorgt die Transistorschaltung mit der notwendigen Speisespannung. Der Widerstand 28 ist mit dem einen Basisanschluß des Unijunctiontransistors 18 verbunden und begrenzt dessen Basisstrom. Die Ausgangsspannung des Oszillators fällt am Widerstand 29 ab, der mit dem anderen Basisanschluß des Unijunctiontransistors 18 und mit der Steuerelektrode 11 des Gleichrichters 10 verbunden ist.The transistor 23, which is in series with the resistor 24 and whose collector is connected to the base of the transistor 21, works as a potentiometer and defines the operating point of the transistor 21. A control voltage E c is applied to the base of the transistor 23 via a current limiting resistor 25. This control voltage represents the operating point of the transistor 23, which then determines the operating point of the transistor 21, whereby the frequency of the unijunction transistor oscillator circuit is determined. When the control voltage E C = Q , then the transistors 23 and 21 are blocked and the frequency of the transistor oscillator circuit is zero. The output voltage E L is then equal to the supply voltage E 5 . The diode 22 has the effect that the transistor 21 is always blocked at the control voltage Eq = Q , regardless of any temperature changes within the circuit. If the control voltage E c increases in the positive direction, then the transistors 23 and 21 become more and more conductive, and the frequency of the unijunction transistor oscillator increases. In this way, the control voltage E c regulates the frequency of the oscillator, which in turn controls the output voltage E 1. A voltage divider with resistors 26 and 27, which is located between input terminals 1 and 2, supplies the transistor circuit with the necessary supply voltage. The resistor 28 is connected to one base terminal of the unijunction transistor 18 and limits its base current. The output voltage of the oscillator drops across the resistor 29, which is connected to the other base terminal of the unijunction transistor 18 and to the control electrode 11 of the rectifier 10.
F i g. 5 zeigt eine Abänderung 'der vereinfachten Schaltung von F i g. 1. Mit der abgeänderten Schaltung kann man eine Ausgangsspannung EL erhalten, die wesentlich größer als die Speisespannung Es ist. Obwohl man mit der Schaltung von Fig. 1 Ausgangsspannungen herstellen kann, die mehr als zweimal so groß sind wie die Speisespannung, ist diese Schaltung für so hohe Spannungen nicht geeignet, da an der Schalteinrichtung 8 die gesamte Ausgangsspannung liegt und dabei die maximalen Spitzenspannungen der Halbleiterbauelemente überschritten werden können. Durch einen Abgriff an der Spule 6 kann man die Spannung an der Schalteinrichtung 8 vermindern. Die Ausgangsspannung kann dann ein Mehrfaches der Speisespannung betragen. Durch eine Spule mit Abgriff kann man bei einer Eingangsspannung von 125 V sehr leicht eine Ausgangsspannung von 750 V herstellen.F i g. 5 shows a modification of the simplified circuit of FIG. 1. With the modified circuit, an output voltage E L can be obtained that is significantly greater than the supply voltage E s . Although the circuit of Fig. 1 can produce output voltages that are more than twice as large as the supply voltage, this circuit is not suitable for such high voltages, since the switching device 8 has the entire output voltage and the maximum peak voltages of the semiconductor components can be exceeded. The voltage on the switching device 8 can be reduced by tapping on the coil 6. The output voltage can then be a multiple of the supply voltage. A coil with a tap makes it very easy to produce an output voltage of 750 V with an input voltage of 125 V.
Claims (4)
Deutsches Patent Nr. 1 203 838.Legacy Patents Considered:
German Patent No. 1 203 838.
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